朱張勤，鄭萬青

(南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

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·信號/數(shù)據(jù)處理·

一種基于歷史CPI數(shù)據(jù)的近程雜波抵制方法

朱張勤，鄭萬青

(南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

文中對空時二維自適應(yīng)處理(STAP)技術(shù)進行了基本原理性的論述，指出近程非均勻雜波由于樣本不足導(dǎo)致STAP效果嚴重下降。針對機載相控陣雷達低重復(fù)頻率數(shù)據(jù)中近程雜波難抑制的問題，根據(jù)機載平臺在相鄰相干積累時間(CPI)內(nèi)運動距離短，雷達波束覆蓋區(qū)域基本相同的特點，提出了一種利用前一CPI數(shù)據(jù)作為輔助知識抑制當前幀數(shù)據(jù)近程雜波的方法，算法根據(jù)歷史CPI數(shù)據(jù)引入引起樣本增加的特點，對近程非均勻雜波區(qū)進行精細分段處理，提升非均勻雜波抑制能力，改善非均勻雜波區(qū)的目標信雜噪比，文中對算法的原理進行了描述并通過實測數(shù)據(jù)實驗驗證了算法的性能。

相控陣雷達；近程雜波；空時自適應(yīng)信號處理

0 引 言

機載相控陣雷達由于對低空突防目標的有效檢測和目標檢測的覆蓋范圍比地基雷達要大得多，增加了預(yù)警時間，得到越來越多的重視。機載預(yù)警雷達主要是下視工作，復(fù)雜的地理環(huán)境使雷達工作在多變的雜波環(huán)境中，由于平臺的運動性使得雜波擴展，特點是俯仰近程雜波以回波強、非均勻、樣本少等特點成為雜波抑制中的難點。

為了有效檢測雜波區(qū)目標，減少雷達的盲區(qū)范圍，必須研究有效的雜波抑制方法。利用天線的超低副瓣來抑制副瓣雜波是最直接的方法，然而，由于目前雷達平臺資源和生產(chǎn)工藝水平嚴重受限，超低副瓣天線難以實現(xiàn)，因此，需要在信號處理中采用一定的濾波算法來抑制高副瓣引起的強雜波譜。由于機載雷達的地物雜波呈現(xiàn)為空時二維耦合譜特性，因此，要想達到較好的濾波效果，雜波抑制應(yīng)該在空間和時間進行聯(lián)合處理；并且由于機載平臺的地面環(huán)境的快速變化性，濾波器應(yīng)該根據(jù)雜波環(huán)境自適應(yīng)調(diào)整系數(shù)，以達到最佳的濾波效果。

最早的雜波抑制方法有時間平均雜波相干機載雷達及其相關(guān)方法[1]、自適應(yīng)運動補償方法[2-3]和相位中心偏置天線方法[4-5]，這些方法由于只考慮兩個時間取樣，存在雜波對消器分辨不良的問題。Brennan等[6]在1973年提出了利用空時二維取樣進行雷達信號自適應(yīng)處理的方法，隨后又將最優(yōu)處理器應(yīng)用到機載相控陣雷達中[7]。研究證明，空時自適應(yīng)處理(STAP)可以有效地補償機載雷達的平臺運動效應(yīng)，并獲得理想的雜波抑制性能，同時，對有源干擾也可以實現(xiàn)自適應(yīng)抑制。然而在脈沖級進行空-時全自適應(yīng)處理所需的運算量極大，嚴重地限制了算法在工程中的應(yīng)用，隨后降維STAP技術(shù)成為了研究的一個焦點，大量降秩和降維方法的出現(xiàn)為STAP工程化應(yīng)用可供了可實現(xiàn)的途徑[8-12]。

抑制近程雜波最直接的目的是為了提高雜波的距離平穩(wěn)性從而提高STAP性能，而最終的目的是提高目標信號的信雜噪比(SCNR)。解決近程雜波距離非平穩(wěn)性的方法，目前主要有三種：一是利用陣列天線俯仰維的自由度做空間濾波[13-14]，但是目前的非自適應(yīng)空域濾波方法對陣元誤差比較敏感，自適應(yīng)的空域濾波難以獲取樣本，且計算比較繁瑣；二是多普勒譜和空間譜的補償，這對存在距離模糊的中高重頻機載雷達來說，無法兼顧各次模糊距離[15-16]；三是利用俯仰空域自由度、方位空域自由度和脈沖維的時間自由度同時做三維STAP處理[17]，這種算法也存在獨立同分布的自適應(yīng)樣本難以獲得的問題。

本文針對機載雷達的特點，利用短時間載機平臺運動距離短、副瓣雜波覆蓋區(qū)域基本無變化的特點，提出了一種新的雜波抑制方法，利用低脈沖重復(fù)頻率(LPRF)實測數(shù)據(jù)對算法進行了驗證并與傳統(tǒng)STAP技術(shù)進行了對比分析。

1 算法描述

1.1 STAP算法原理

空時二維自適應(yīng)信號處理是針對雷達接收的回波信號進行空間和時間上的二維濾波處理。其實質(zhì)是將一維空域濾波技術(shù)推廣到時間和空間二維域中。

STAP技術(shù)的關(guān)鍵，一方面在于兩維濾波處理，另一方面在濾波權(quán)系數(shù)是自適應(yīng)計算得到的，可以根據(jù)雷達回波特性自適應(yīng)地形成與雜波和干擾相匹配的自適應(yīng)權(quán)矢量來做濾波處理，其原理如圖1所示。

圖1 STAP原理圖

利用最優(yōu)接收技術(shù)，建立自適應(yīng)權(quán)系數(shù)計算的數(shù)目模型，其原理為：保持主波束方向的信號增益不變，同時使雜波、干擾和噪聲的功率達到最小。計算自適應(yīng)權(quán)系數(shù)的準則如下

(1)

式中：R為根據(jù)雷達接收數(shù)據(jù)xi估計的協(xié)方差矩陣；S為導(dǎo)向矢量；R表達式為

(2)

考慮有限樣本的獨立性和遍歷特性，協(xié)方差矩陣的計算可以簡化為

(3)

式中：N為數(shù)據(jù)樣本的總數(shù)量；H表示共軛轉(zhuǎn)置；S是目標空域?qū)蚴噶縎s與目標時域?qū)蚴噶縎t的Kronecher積

S=Ss?St

(4)

Ss與St的表達式因STAP算法的不同而異。對方程組(1)求解得到的最優(yōu)權(quán)矢量解為

Wopt=μR-1S

(5)

式中：μ為對自適應(yīng)權(quán)進行歸一化所用的系數(shù)值

(6)

若由雷達接收數(shù)據(jù)向量xi組成的數(shù)據(jù)矩陣為X，則STAP最終的濾波輸出為

(7)

利用歷史數(shù)據(jù)進行協(xié)方差矩陣的估計

(8)

1.2 新算法流程

利用雷達系統(tǒng)的全部天線陣元和相參積累脈沖做STAP處理，稱為全空時自適應(yīng)處理。全空時自適應(yīng)處理為理論上的最優(yōu)處理，但是，一方面，難以獲得足夠數(shù)量的估計協(xié)方差矩陣所用的訓(xùn)練樣本；另一方面，計算自適應(yīng)濾波權(quán)矢量所需要的計算能力一般雷達的信號處理機難以滿足。因此，工程應(yīng)用中大多采用各種準最優(yōu)的算法。關(guān)于STAP的準最優(yōu)處理算法大致分為降維和降秩兩類，其中子陣級距離-多普勒域STAP處理由于計算量小被廣泛應(yīng)用于工程實現(xiàn)。

對每個子陣進行快速傅里葉變換處理后，對每個頻率門進行自適應(yīng)STAP處理，計算自適應(yīng)權(quán)矢量Wopt的方法與空時全自適應(yīng)處理相同，即為單多普勒通道空時自適應(yīng)處理(1DT-STAP)，設(shè)有N個子陣，每個子陣FFT后有M個多普勒門，wij表示第j個子陣的第i個多普勒門的加權(quán)敘述，1DT-STAP處理流程如圖2所示。

圖2 子陣級1DT STAP處理示意圖

STAP有效的前提是能夠?qū)﹄s波或干擾背景的統(tǒng)計特性進行準確估計，這一點是通過對接收的回波數(shù)據(jù)進行相關(guān)性估計來實現(xiàn)的，本質(zhì)上屬于最大似然估計。因此，要獲得理想的性能，需要滿足兩個必要條件：其一是要求被處理的信號在時間和空間上是均勻、平穩(wěn)的；其二是要有足夠多的滿足獨立同分布條件的樣本。對機載預(yù)警雷達而言，雜波背景的非均勻、非平穩(wěn)問題非常突出，不僅滿足獨立同分布條件的可用于雜波統(tǒng)計特性估計的樣本數(shù)非常有限，而且這些樣本還常常和奇異樣本混在一起難以區(qū)分，從而使自適應(yīng)處理的性能大大下降，而近程雜波是機載預(yù)警雷達中最常見的非均勻雜波。

本文算法以1DT-STAP為基礎(chǔ)，利用雷達回波前一幀數(shù)據(jù)進行輔助處理。由于機載預(yù)警雷達平臺飛行速度較慢，近似認為相鄰兩幀時間內(nèi)近程雜波的所處地形環(huán)境無明顯變化(相鄰40ms～50ms時間內(nèi)，載機運動距離只有幾米，3dB波束寬度7°，兩幀方位間隔1.5°)。由于歷史數(shù)據(jù)的引入，相當于對當前幀數(shù)據(jù)STAP協(xié)方差矩陣估計的樣本數(shù)增加。因此，可以對當前數(shù)據(jù)的近程非均勻雜波進行更精細的分段處理，提升非均勻雜波的抑制能力。算法流程如圖3所示。

2 實驗與分析

本文所提算法利用LPRF實測數(shù)據(jù)進行實驗分析(LPRF數(shù)據(jù)按距離門截取了近程雜波區(qū)域的1 000個門)，新方法對試驗數(shù)據(jù)的非均勻雜波區(qū)分段數(shù)目是傳統(tǒng)STAP方法的2倍(傳統(tǒng)STAP對每個多普勒門按距離分4段，新方法分8段)，并將處理結(jié)果與傳統(tǒng)STAP方法進行對比，統(tǒng)計了目標SCNR的改善程度，結(jié)果如圖4所示，其中標出的點為經(jīng)過驗證的真實目標。

圖4 近程雜波抑制結(jié)果對比圖

從實驗結(jié)果可以看出，本文所提算法比傳統(tǒng)STAP方法在近程雜波抑制后，目標的SCNR從傳統(tǒng)STAP的18.2dB提升到新算法的21.7dB，改善3.5dB。

3 結(jié)束語

本文針對機載相控陣雷達LPRF數(shù)據(jù)近程非均勻雜波抑制難的問題，利用機載平臺運動相鄰CPI內(nèi)平臺運動短、雷達波束覆蓋區(qū)域基本相同的特點，進行了合理的假設(shè)，將前一幀數(shù)據(jù)作為輔助知識引入當前數(shù)據(jù)的處理中，提升非均勻雜波的抑制能力改善該雜波區(qū)目標的SCNR，并利用實測數(shù)據(jù)對算法進行了實驗與驗證。結(jié)果表明：本文所提新算法比傳統(tǒng)STAP在近程雜波抑制后目標SCNR改善3.5dB，充分證明了本文算法的有效性。

[1]VolesR.NewapproachtoMTIclutterlocking[J].IEEProceedings, 1973, 120(11): 1383-1390.

[2]AndrewsGA.Radarantennapatterndesignforplatformmotioncompensation[J].IEEETransactionsonAntennaPropagation, 1978, 26(4): 566-571.

[3]BrennanLE,MallettJD,ReedIS.AdaptivearraysinairborneMTIradar[J].IEEETransacitonsonAntennaPropagation, 1976, 24(5): 607-615.

[4]AndersonDB.Amicrowavetechniquetoreduceplatformmotionandscanningnoiseinairbornemovingtargetradar[J].IREWesconConvesationRecord, 1958, 2(1): 201-211.

[5]SkolnikM.Radarhandbook[M]. 2nded.NewYork:McGrawHill, 1990.

[6]BrennanLE,ReedIS.Theoryofadaptiveradar[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems, 1973, 10(2): 237-252.

[7]KlemmR.Suboptimumcluttersuppressionforairbornephasedarrayradar[C]//IEERadarConference.London:IEEEPress, 1982: 473-476.

[8]KlemmR.AdaptiveairborneMTI:anauxiliarychannelapproach[J].IEEProceedingsofCommunications,RadarandSignalProcessing, 1987, 134(3): 269-276.

[9] 廖桂生，保 錚，張玉洪，等. 陣元幅相誤差對AEW雷達二維雜波譜的影響[J]. 電子學(xué)報，1994，22(3)：116-119.LiaoGuisheng,BaoZheng,ZhangYuhong,etal.On2-DclutterspectraforAEWradarswithimperfectarrays[J].ActaElectronicaSinica, 1994, 22(3): 116-119.

[10]LiYJ,WuSJ.Adaptivechannelequalizationforspace-timeadaptiveprocessing[C]// 1995IEEEInternationalRadarConference.Alexandria:IEEEPress, 1995: 624-628.

[11]KlemmR.AdaptiveairborneMTIwithtwo-dimensionalmotioncompensation[J].IEEProceedingsofRadarandSignalProcessing, 1991, 138(6): 551-558.

[12]WangH,CaiLJ.Onadaptivespatial-temporalprocessingforairbornesurveillanceradarsystems[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems, 1994,AES-30(3): 660-670.

[13]MengXD,WangT,WuJX,etal.Short-rangecluttersuppressionforairborneradarbyutilizingprefilteringinelevation[J].IEEEGeoscienceandRemoteSensingLetters, 2009, 6 (2): 268-272.

[14] 孟祥東，王 彤，吳建新，等. 機載相控陣雷達近程雜波抑制的俯仰向空域自適應(yīng)算法[J]. 電子與信息學(xué)報, 2010，32(4)：948-952.MengXiangdong,WangTong,WuJianxin,etal.Elevationadaptivealgorithmforshort-rangecluttersuppressioninairbornephasedarrayradar[J].JournalofElectronics&InformationTechnology, 2010, 32(4): 948-952.

[15]CorbellPM,HaleTB. 3-dimensionalSTAPperformanceanalysisusingthecross-spectralmetric[C]//Proceedingofthe2004IEEERadarConference.Philadelphia:IEEEPress, 2004: 610-615.

[16]BorsariGK.Mitigatingeffectsonstapprocessingcausedbyaninclinedarray[C] //Proceedingsofthe1998IEEERadarConference.Dallas:IEEEPress, 1998: 135-140.

[17]HimedB,ZhangY,HaijariA.Stapwithangle-Dopplercompensationforbistaticairborneradars[C]//Proceedingsofthe2002IEEERadarConference.California:IEEEPress, 2002: 311-317.

朱張勤 男，1982年生，博士，高級工程師。研究方向為雷達電訊總體技術(shù)。

鄭萬青 男，1981年生，碩士，工程師。研究方向為雷達電訊總體技術(shù)與技術(shù)管理。

A Novel Algorithm Based on CPI data for Restaining the Short-range Clutter

ZHU Zhangqin，ZHENG Wanqing

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

Essential principles of space time adaptive processing (STAP) technology are discussed, then for the short range clutter, the effect of STAP declined heavily due to the short of sample is pointed out in this paper. To confront the non-homogeneous clutter of low pulse repetition frequency (LPRF) data, which is difficult to be restrained in the airborne phase-scan radar, a novel algorithm, which is based on the airborne platform moving short range and the areas covered by radar beam almost same, is proposed in this paper. In the new algorithm, the last coherent processing interval (CPI) data are used as the aided knowledge to suppress the clutter of current CPI data. Due to the last CPI data introduced, the number of samples is increased, by which the current CPI data can be piecewise processed more finely, to improve the effect of clutter suppression and the target signal-to-clutter-plus-noise ratio (SCNR). The principle of the new algorithm is introduced firstly, and then experiments by the measured radar data demonstrate the impression of the method.

phase-scan radar; short-range clutter; space time adaptive processing

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.09.007

朱張勤 Email：zzqin@mail.ustc.edu.cn

2015-04-22

2015-07-24

TN

A

1004-7859(2015)09-0029-04